設(shè)計性物理實驗教學(xué)的探討

劉 鵬

（宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000）

設(shè)計性物理實驗教學(xué)的探討

劉 鵬

（宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽宿州234000）

大學(xué)物理設(shè)計性實驗是在學(xué)生掌握基礎(chǔ)性實驗后進行的一種教學(xué)實踐活動。文章分析了大學(xué)物理設(shè)計性實驗的特點、教學(xué)要求，詳細闡述了設(shè)計性物理實驗的教學(xué)方法。

設(shè)計性實驗；實驗方案；探討

物理學(xué)是門實驗科學(xué)。物理理論教學(xué)和實驗教學(xué)都具有同等重要的地位。大學(xué)物理實驗教學(xué)通過觀測與分析，使學(xué)生掌握物理實驗的基本知識，基本理論，基本方法和實驗技能，培養(yǎng)他們從事科學(xué)實驗的基本素質(zhì)和開創(chuàng)性的科研能力。而設(shè)計性物理實驗，能促進學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)和思考，加強學(xué)生創(chuàng)新能力、動手能力的培養(yǎng)，有利于提高學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰退仞B(yǎng)。

1 設(shè)計性物理實驗的定義

設(shè)計性實驗顧名思義就是讓學(xué)生按自己設(shè)計的實驗方案去做實驗。[1]大學(xué)物理實驗中設(shè)計性實驗應(yīng)有不同的形式和不同的要求。從形式上區(qū)分應(yīng)包括原理性設(shè)計實驗，操作性設(shè)計實驗和制作性設(shè)計實驗；從知識要求上分應(yīng)該包括利用自己掌握的知識和常用儀器所做的設(shè)計，開拓常用的新方法所做的設(shè)計等等。

2 設(shè)計性物理實驗的特點

大學(xué)物理實驗根本的目的是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生進行科學(xué)實驗的能力，提高實驗技能。一般的物理實驗是學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，按照固定的內(nèi)容和步驟來進行的。而大學(xué)物理設(shè)計性實驗是一種介于基本教學(xué)實驗與實際科學(xué)實驗之間，對科學(xué)實驗全過程進行初步訓(xùn)練的教學(xué)實驗。這類實驗帶有一定的綜合性。他要求學(xué)生具備一定的實驗基礎(chǔ)知識及能力，在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生自行設(shè)計實驗方案，確定實驗方法，選擇配套儀器設(shè)備，進行實驗測試，最后得到實驗結(jié)果。

3 設(shè)計性物理實驗的教學(xué)要求

設(shè)計性物理實驗要求學(xué)生自行設(shè)計和選擇合理的實驗方案，并在實驗過程中檢驗其正確性。因此，設(shè)計性教學(xué)實驗的核心是設(shè)計和選擇實驗方案，并檢驗方案的正確性與合理性。設(shè)計時一般包括以下幾方面要求：

1.根據(jù)研究與實驗精度的要求，確定所應(yīng)用的原理；

2.選擇實驗方法與測量方法；

3.確定測量條件，選擇配套儀器以及對測量數(shù)據(jù)進行合理處理的方法等。

在進行實驗設(shè)計，觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)，計算結(jié)果，綜合分析，寫實驗報告的過程中，應(yīng)考慮各種誤差出現(xiàn)的可能性，并分析其產(chǎn)生的原因。

4 設(shè)計性實驗的方案選擇

4.1 實驗方法的選擇

指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗課題的要求和所研究的對象，收集各種可能的實驗方法，即根據(jù)一定的物理原理，確定在被測量與可測量之間建立關(guān)系的各種可能的方法，然后，比較各種實驗方法所能達到的實驗精確程度，實驗條件及實施的可能性，以便確定最佳實驗方法。

4.2 測量方法的選擇

在實驗方法選擇后，對各種測量方法進行篩選，使各種測量結(jié)果誤差最小。為此需要對誤差來源及誤差傳遞進行分析，還要對間接測量與直接測量之間關(guān)系進行研究。間接測量與直接測量之間的關(guān)系為：y=f(x1，x2….xn，α1,α2，….αn)式中x1,x2…為直接測量量，α,α…為固定參量。不確定度為

4.3 測量儀器的選擇

在選擇測量儀器時，應(yīng)充分發(fā)揮實驗儀器的作用，有效的進行實驗。主要應(yīng)在儀器的分辨率，精確度，實用性，經(jīng)濟性上進行考慮。選擇儀器時，不能認為儀器的精度越高越好。

4.4 測量條件的選擇

確定測量的最有利條件，也就是確定在什么條件下進行測量引起的誤差最小。實驗條件的選擇是否恰當(dāng)，對于實驗的成敗和效果影響很大。實驗裝置和器材是影響實驗條件的因素之一，再選擇實驗裝置和器材時應(yīng)注意滿足實驗所要求的條件。另外，在實驗過程中，物理參數(shù)的個數(shù)與數(shù)值，實驗次數(shù)，實驗程序，實驗操作和觀察時間等，都可能影響實驗條件。

學(xué)生設(shè)計好實驗方案后，指導(dǎo)教師要對實驗方案做出確認：

1.設(shè)計原理和方法是否正確；

2.儀器選配裝置設(shè)計是否合理；

3.實驗條件及實驗步驟是否合理；

4.測量誤差估算是否符合實驗要求。

若方案通過，學(xué)生即可準(zhǔn)備實驗，否則要提出解決問題的方案。

5 設(shè)計性實驗項目舉例

5.1 實驗內(nèi)容

形狀不規(guī)則的物體面積測量?，F(xiàn)有兩塊由同種材料制成的矩形均勻薄板，在其中的一塊挖出一個不規(guī)則的孔，試設(shè)法測出不規(guī)則孔的面積（見圖1）。

圖1 矩形薄板

5.2 要求與提示

兩塊薄板由同種材料制成，他們的密度相同；薄板厚度的測量要精確到0.01mm；設(shè)計實驗方案；合理選擇儀器；測出不規(guī)則孔的面積。

5.3 設(shè)計思路

長度測量是最基本的測量，從中學(xué)到大學(xué)均有該測試項目，主要是通過該實驗學(xué)習(xí)各種測量工具的使用。為此實驗教學(xué)中多是安排通過測量形狀規(guī)則的物體的面積或形狀規(guī)則的物體的體積。但對于形狀規(guī)則的物體，個別學(xué)生往往根據(jù)面積或體積公式去湊數(shù)據(jù)，不認真測量甚至不去測量就可以完成實驗報告。本實驗要求測量形狀不規(guī)則的物體的面積，不僅使學(xué)生沒有現(xiàn)成的公式去用，還促使學(xué)生開動腦筋設(shè)計實驗方案，推出測量形狀不規(guī)則物體面積所依據(jù)的理論公式。同時該實驗的完成，還需要測量質(zhì)量，也就是說面積的測量用到了天平，使該實驗從原來的單一測量變成了一個綜合性的設(shè)計性實驗。

5.4 實驗方案由于兩塊矩形薄板

，是由同種材料制成的，因而它們的密度相同，于是有：

其中，a1、b1、c1、a2、b2、c2分別為第一塊第二塊薄板的長、寬和厚，m1、m1為其質(zhì)量，S為挖出的不規(guī)則形狀孔的面積。測出a1、b1、c1、a2、b2、c2、及m1、m1即可求出S。

5.5 儀器選擇

因只是用于誤差分析,這里采用了間接測量的算術(shù)合成。[3]由式（1）可看出，由于薄板厚度較薄，所以式中第3項和最后一項的誤差對測量結(jié)果的總誤差的作用較大。所以對于厚度的測量要求要高一些，結(jié)合題目的要求，對于厚度的測量要用螺旋測微器或讀數(shù)顯微鏡，長與寬的測量可用游標(biāo)卡尺或米尺，質(zhì)量的測量用物理天平即可。

6 結(jié)束語

大學(xué)物理設(shè)計性實驗是在創(chuàng)新理論指導(dǎo)下的一種科技創(chuàng)新，而培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是高等教育實驗教學(xué)的一個重點。近幾年的大學(xué)物理實驗教材，注重加強基本實驗技能的訓(xùn)練，增加了綜合性，設(shè)計性實驗和一批新的實驗項目，以便使大學(xué)物理實驗教學(xué)在內(nèi)容、方法、手段上適應(yīng)培養(yǎng)新型人才和形勢發(fā)展的需要。同時，教師在指導(dǎo)設(shè)計性實驗的過程中，也得到極好的鍛煉和提高。

[1]梁為民.大學(xué)物理實驗[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001:72.

[2]吳德敬.設(shè)計性物理實驗[M].上海:上海教育出版社,2002:277-326.

[3]揚述武.普通物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2000:14.

責(zé)任編輯：胡德明

Abstract:The designed experiment for college physics is a kind of teaching practice for students who have mastered the basic experiments.The article aims to elaborate on the features,teaching acquirements and the teaching methods of the designed experiment.

Key words:designed experiment;experimental program;explore

Research into Teaching Practice for Designed Physical Experiments

Liu Peng
(Department of mechanical and Electronic Engineering,Suzhou College,Suzhou234000,China)

G642.423

A

1672-447X(2010)04-0130-03

2010-03-28

安徽省自然科學(xué)研究項目（KJ2008A342C）

劉鵬（1979-）安徽宿州人，宿州學(xué)院實驗師，碩士，研究方向為大學(xué)物理實驗。